氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土結構銹脹開裂研究綜述

李偉

【摘要】鋼筋混凝土是建筑的主要構成材料之一，鋼筋混凝土的質量，直接影響建筑工程的質量，對于用戶、企業、社會都具有重要意義。鋼筋混凝土的裂縫問題，對于鋼筋混凝土的使用性能具有重要影響。因此，各國學者對于鋼筋混凝土裂縫問題研究越來越重視，并且取得了一定的成果。

【關鍵詞】氯鹽侵蝕；鋼筋混凝土；銹脹開裂；內部結構

1、氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土的結構性能研究

1.1銹蝕初始階段

相關研究表明，氯鹽侵蝕環境下，鋼筋混凝土的結構會遭到破壞，導致鋼筋混凝土的使用性能退化。基于環境下的結構性能退化過程，主要可以分為銹蝕初始階段與銹蝕擴展階段。張菊輝（2017）對銹蝕初始階段進行研究，其認為銹蝕的開始，主要是由于氯離子的不斷積累，達到一定的臨界濃度，導致鋼筋脫鈍。銹蝕的初始階段，是氯離子侵入的過程，隨著時間的推移，氯離子的侵蝕程度越強[1]。此種環境下，不僅鋼筋混凝土會遭到破壞，周圍的環境同樣會受到影響。凌曉政（2016）對銹蝕初始階段進行研究，其完善了氯離子侵蝕飽和混凝土的數學模型，并且對銹蝕的環境影響因素進行測試，從而提出了氯離子侵蝕非飽和混凝土的數學模型。通過模型研究可知，隨著試驗時間的增加，鋼筋混凝土的銹蝕程度加強，混凝土的結構性能不斷下降[2]。由此可見，隨著時間的延長，鋼筋混凝土在氯鹽侵蝕環境下結構性能會不斷退化。

1.2銹蝕擴展階段

銹蝕的擴展階段，主要是銹蝕物的形成過程，隨著銹蝕物的不斷積累，逐漸會誘發保護層銹脹開裂，導致鋼筋混凝土的黏膜失效，鋼筋混凝土的性能迅速退化。Naveet Kaur（2016）對銹蝕擴展階段進行研究，其認為銹蝕擴展階段與銹蝕初始階段具有較大不同，銹蝕擴展階段的壽命密度更大。通過試驗研究與相關數據分析可知，氯鹽侵蝕環境下，鋼筋混凝土銹蝕初始時間僅占整個壽命期的5.5%，而銹蝕擴展階段占整個壽命期的94%。因此，各國學者對于銹蝕擴展階段的研究比較重視[3]。通過銹蝕擴展階段去研究鋼筋混凝土在氯鹽侵蝕環境下的結構銹脹開裂機理，從而研究保護層開裂的原因與時間的關系等。

2、氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土的銹蝕研究

2.1鋼筋混凝土的銹蝕模型

國內外對于氯鹽侵蝕環境下，鋼筋混凝土銹脹開裂問題研究已經有20年，鋼筋裂縫問題的原因，主要是混凝土結構的銹脹開裂。王華（2014）對鋼筋混凝土的銹蝕模型進行研究，其認為銹蝕反應需要物質質量守恒，通過Fick定律、化學反應公式、靜電方程等建立銹蝕模型，從而對銹蝕產物進行模擬[4]。采用電化學理論對鋼筋混凝土銹蝕模型進行分析，根據分析結論提出物理概念。其認為鋼筋混凝土的銹蝕過程，屬于動態變化過程，銹蝕層的變化、銹蝕密度的大小是影響混凝土銹蝕率變化的主要原因。F. Behnamfar（2016）對鋼筋混凝土的銹蝕模型進行研究，其主要分析了物理影響因素，通過氯離子濃度、溫度、電阻等去建立銹蝕模型[5]。

2.2鋼筋混凝土銹蝕產物分布

根據相關調查可知，鋼筋混凝土銹蝕產物分布主要是通過試驗的方式進行驗證，但是由于銹蝕試驗時間長、成本高等特點，各國學者普遍采用通電的方式，加速鋼筋混凝土的銹蝕過程。童晶（2015）對鋼筋混凝土銹蝕產物進行研究，其采用通電方法去開展試驗，但是通電情況下鋼筋銹蝕過程較為均勻，銹蝕產物主要分布在鋼筋的橫截面，并且分布比較均勻[6]。通電試驗情況下的鋼筋混凝土銹蝕產物分布，與自然環境下的銹蝕產物分布具有較大差異。Jianguang Yue（2016）對鋼筋混凝土銹蝕產物分布進行研究，其主要采用視頻顯微測量系統，對自然環境下的鋼筋混凝土銹蝕進行研究，得出的結論比較符合實際。此種研究方法，得到諸多學者的認可，使用效率較高[7]。

3、氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土保護層銹脹開裂研究

3.1保護層裂縫發展研究

氯鹽侵蝕環境下，鋼筋混凝土保護層開裂的程度，可以利用測量工具直接測得。通過獲得的數據建立相關保護層裂縫寬度與銹蝕率之間的模型，能夠充分的反應保護層裂縫發展情況。吳元周（2015）對保護層裂縫發展情況進行研究，其主要是通過鋼筋混凝土銹蝕之前的形變關系，分析均勻腐蝕情況下保護層裂縫發展情況，為鋼筋混凝土壽命預測提供數據支持，并且提出了保護層裂縫寬度的計算公式：

其中n代表銹蝕產物的體積變化率，V代表的是混凝土泊松比，ρw為鋼筋的銹蝕概率[8]。A. Edalat-Behbahani（2016）對保護層裂縫發展情況進行研究，其充分的考慮了銹蝕產物的流失情況，并且假設體積不變，從而得出鋼筋混凝土銹蝕率的計算公式：

其中k代表的是鐵銹流失系數，D1代表的是銹蝕之后的鋼筋直徑[9]。

3.2關系模型研究

國內外學者在保護層裂縫發展研究的基礎上，通過建立關系模型去分析保護層銹脹開裂的過程，進而實現鋼筋混凝土結構銹脹開裂的過程模擬。徐港（2015）對鋼筋銹脹開裂過程關系模型進行研究，其主要是利用有限元軟件，建立維帶孔洞的四節點平面應變模型。試驗過程中，其向鋼筋混凝土空隙內部施加不均勻銹脹力，從而對銹脹關系模型進行模擬[10]。通過試驗可知，利用XFEM與混凝土系數構建關系模型，能夠模擬鋼筋混凝土保護層銹脹開裂的過程。

結論：

綜上所述，本文對氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土保護層銹脹開裂進行深入研究，研究結果表明，氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土的結構性能研究，主要包括銹蝕初始階段與銹蝕擴展階段。文章從鋼筋混凝土的銹蝕模型、鋼筋混凝土銹蝕產物分布兩方面，論述了氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土的銹蝕，為我國鋼筋混凝土銹蝕裂縫研究提供參考依據。通過對國內外文獻的總結與梳理，了解了氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土的結構性能變化、混凝土腐蝕情況、保護層銹脹開裂問題。未來需要加強對鋼筋混凝土的銹脹開裂研究，從而提高建筑的使用性能。

參考文獻：

[1]張菊輝，汪鵬飛.氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土結構銹脹開裂研究綜述[J].上海理工大學學報，2017，39（04）：389-395.